TWI473373B - 間隔時間可調脈衝序列產生裝置 - Google Patents

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    • H01S3/235—Regenerative amplifiers

Description

間隔時間可調脈衝序列產生裝置
本發明係為一種脈衝序列產生裝置，尤其是指一種間隔時間可調脈衝序列產生裝置。
習知技術，目前材料微加工所使用的皮秒雷射，係一種單發脈衝皮秒雷射，如圖1A所示，或是一種不可調整間隔時間的脈衝序列皮秒雷射，如圖2A所示。相較於單發皮秒雷射在相同雷射能量下的鑽孔深度，如圖1B所示，脈衝序列皮秒雷射有更深的加工深度，如圖2B所示。相較於單發皮秒雷射在相同雷射能量下的表面加工處理，如圖1C所示，脈衝序列皮秒雷射有更佳的表面加工處理效果，如圖2B所示。習知技術中，傳統的脈衝序列皮秒雷射產生機制需要訊號同步與延遲控制、架構複雜、價格昂貴，而且脈衝序列(burst mode)的間隔時間無法調整。材料經雷射加工過程中的相變化如圖4所示，橫軸表材料密度、縱軸表材料溫度。材料經雷射加工後，係由固相進入液相，再進入氣相，因此若脈衝序列(burst mode)的間隔時間太長，如圖5所示，會使待雷射加工材料後，冷卻至臨界點(critical point)以下時，切削量反而下降。圖5中，橫軸表脈衝序列間隔時間，縱軸表切削量，由橫軸的間隔時間增加，縱軸的切削量反而下降，可知時間間隔不能太長；若脈衝序列(burst mode)的間隔時間太短，如圖6所示，會使待雷射加工材料後，產生電漿屏蔽(plasma shielding)的效應，橫軸表 時間軸，間隔時間太短時所產生的電漿屏蔽(plasma shielding)的區域，使待雷射加工材料後仍處於液態狀況之下，擋住下一發脈衝雷射的作用，因此間隔時間不能太短。不同材料所需的脈衝序列間隔時間也不盡相同，因此間隔時間為脈衝序列雷射在加工上之一重要參數。習知技術中，脈衝序列皮秒雷射的產生方式，係具有一高頻雷射脈衝光源，搭配一電控高速光脈衝篩選器，從原本的高頻雷射源篩選出所要的脈衝序列形狀，而此方式限制了脈衝序列之間的間隔時間，使之無法任意調整。
本揭露提供一種間隔時間可調脈衝序列產生裝置，除了具有脈衝序列的優點外，更具有控制脈衝序列間隔時間的結構，以改善習知技術中脈衝序列間隔時間無法調整的缺點，以符合各種不同材料的加工需求。
本揭露間隔時間可調脈衝序列產生裝置的特點，較單發脈衝皮秒雷射，在鑽孔深度以及材料表面處理品質上，具有相較的優點；本揭露間隔時間可調脈衝序列產生裝置，相較於單發脈衝的皮秒雷射，脈衝序列的鑽孔深度較深，而且材料表面處理較不產生毛邊，因而品質較佳，加工速度更快。
在一實施例中，本揭露提供一種間隔時間可調脈衝序列產生裝置，其係為一環形光學腔體結構，包括有：一光耦合器，其輸入的第1端為一種子源接收端，係可接收種子源光訊號輸入，其輸入的第2端係可讓該種子源光訊號在 該環形光學腔體內重複循環傳遞；一光結合器，其輸入端第4端係連接該光耦合器輸出的第3端，其輸入端第5端為一泵浦源接收端，係可接收泵浦源光訊號輸入；至少一增益光纖，其係一增益介質，以放大循環該環形光學腔體內脈衝序列光訊號，該至少一增益光纖位於該環形光學腔體結構上，其中該至少一增益光纖的輸入端，至少有一個接合該第一光結合器的輸出端第6端；一光程時間調整器，其輸入端第7端係接合該至少一增益光纖的輸出端，用來調整環形光學腔體內脈衝序列光訊號之間隔時間；以及一分光器，其輸入端第9端係接合於該光程時間調整器輸出端第8端，使每循環一次該環形光學腔體中種子源的光訊號，部分由該分光器的第一輸出端第10端輸出，該分光器的第二輸出端第11端接合該光耦合器的輸入端第2端。
本揭露提供一種間隔時間可調脈衝序列產生裝置，如圖10所示，利用光學設計的方式，可以任意調整脈衝序列的間隔時間，以符合各種材料加工的需求。本揭露的實施例，解決習知脈衝序列的間隔時間無法任意調整的問題，同時提升材料加工的品質與速度。圖2A係脈衝序列皮秒雷射脈衝示意圖，圖中顯示一個封包裡有5根脈衝序列，圖2B係脈衝序列皮秒雷射鑽孔深度示意圖，與圖1B相較下，脈衝序列皮秒雷射有較深的鑽孔深度。圖2C係脈衝序列皮秒雷射的表面加工效果示意圖，與圖1C相較下，脈衝 序列皮秒雷射有較佳的毛邊抑制現象，加工的品質較佳。圖3中係相同雷射脈衝重複率下，脈衝序列根數越多時，會產生較高的材料移除率相應圖。
本揭露係一種間隔時間可調脈衝序列產生裝置，如圖10所示，其係為一環形光學腔體結構，包括有：一種子源接收端11、一泵浦源接收端12、一光耦合器13、一光結合器14、至少一增益光纖15、一光程時間調整器16、以及一分光器18。其中該光耦合器13，其輸入的第1端41即為該種子源接收端11，係可接收種子源光訊號輸入，其輸入的第2端31係可讓該種子源光訊號在該環形光學腔體內重複循環傳遞；該光結合器14，其輸入端第4端33係連接該光耦合器輸出的第3端32，光結合器14另一輸入端第5端42，設置在為一泵浦源接收端12上，係可接收泵浦源光訊號輸入；該至少一增益光纖15，其係一增益介質，以放大循環該環形光學腔體內脈衝序列光訊號，該至少一增益光纖15位於該環形光學腔體結構上，其中該至少一增益光纖15的輸入端，至少有一個接合該第一光結合器14的輸出端第6端34；該光程時間調整器16，其輸入端第7端35係接合該至少一增益光纖15的輸出端，用來調整環形光學腔體內脈衝序列光訊號之間隔時間；以及該分光器18，其輸入端第9端37係接合於該光程時間調整器16輸出端第8端36，使每循環一次該環形光學腔體中種子源的光訊號，部分由該分光器18的第一輸出端第10端43輸出，該分光器18的第二輸出端第11端44接合該光耦合器13的輸入端第2端31。其中該種子源接收端11所接收 之初始光訊號，其訊號之脈衝間隔時間需大於光在該環形光學腔體內行走一週之時間。如圖7所示，係種子源接收端11所接收之初始光訊號重複率rep s 、以及脈衝寬度τ s ，圖8係泵浦源接收端12所接收之泵浦光訊號重複率rep p 以及脈衝寬度τ p 示意圖，其中泵浦源光訊號的重複率rep p 與種子源初始光訊號的重複率rep s 相同。種子源光訊號會在環形腔體內重複運行而衰減，衰減之光訊號透過泵浦源光訊號及增益光纖將之放大，運行之重複率由環形光學腔體結構之長度L決定，光在環形光學腔體內速度為V C ，因此脈衝序列的重複率rep b =V C /L，脈衝序列的間隔時間τ b =L/V C ，脈衝序列的數量為N=τ p V C /L，如圖9所示。
該光程時間調整器16，係可控制光在該環形光學腔體內所走一週之光程時間，該光程時間調整器16係選自複數個自由空間反射鏡(free-space mirror)或是一被動光纖閘(passive fiber switch)之一種。其中該複數個自由空間反射鏡(free-space mirror)，如圖10所示，更包括：第1自由空間反射鏡21、第2自由空間反射鏡22、第3自由空間反射鏡23、以及第4自由空間反射鏡24。其中第1自由空間反射鏡21，經由該光程時間調整器16輸入的第7端35，傳輸循環該環形光學腔體內脈衝序列光訊號至該第1自由空間反射鏡21；第2自由空間反射鏡22，係由該第1自由空間反射鏡21，反射循環在該環形光學腔體內脈衝序列光訊號至該第2自由空間反射鏡22；第3自由空間反射鏡23，係由該第2自由空間反射鏡22，反射循環在該環形光學腔體內脈衝序列光訊號至該第3自由空間反射鏡23；以及第 4自由空間反射鏡24，係由該第3自由空間反射鏡23，反射循環在該環形光學腔體內脈衝序列光訊號至該第4自由空間反射鏡24，並由該第4自由空間反射鏡24輸出循環該環形光學腔體內脈衝序列光訊號至該光程時間調整器16的輸出端第8端36；其中，該複數個自由空間反射鏡(free-space mirror)，係可調整反射角以及複數個自由空間反射鏡(free-space mirror)之間的距離，以控制光在該環形光學腔體內，所循環一週之光程時間。
該光耦合器，如圖10所示，其係用來接收不同波長、以及不同方向之入射光，該光耦合器13，係選自分波多功器(wavelength devision multiplexer,WDM)、結合器(combiner)、以及耦合器(coupler)中之一種。其中該光結合器14，如圖10所示，其係接收該耦合器13所接收之該種子源初始光訊號及該泵浦源光訊號，該光結合器14，係選自一分波多功器(wavelength devision multiplexer,WDM)、以及一結合器(combiner)中之一種。其中該分光器18，係用來將一道光分出不同比例的兩道光，係選自一耦合器(coupler)、以及二分之一波板搭配偏振分光器之一種。該間隔時間可調脈衝序列產生裝置，更包括一偏振控制環17(polarization controller,PC)，其係經由改變偏振控制環17，進而改變脈衝序列波包形狀。
以上所述，乃僅記載本創作為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本創作專利實施之範圍。即凡與本創作專利申請範圍文義相符，或依本創作專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本 創作專利範圍所涵蓋。
11‧‧‧種子源接收端
12‧‧‧泵浦源接收端
13‧‧‧光耦合器
14‧‧‧光結合器
15‧‧‧增益光纖
16‧‧‧光程時間調整器
17‧‧‧偏振控制環
18‧‧‧分光器
21‧‧‧第1自由空間反射鏡
22‧‧‧第2自由空間反射鏡
23‧‧‧第3自由空間反射鏡
24‧‧‧第4自由空間反射鏡
41‧‧‧第1端
31‧‧‧第2端
32‧‧‧第3端
33‧‧‧第4端
42‧‧‧第5端
34‧‧‧第6端
35‧‧‧第7端
36‧‧‧第8端
37‧‧‧第9端
43‧‧‧第10端
44‧‧‧第11端
圖1A 單發脈衝皮秒雷射脈衝示意圖。
圖1B 單發脈衝皮秒雷射鑽孔深度示意圖。
圖1C 單發脈衝皮秒雷射表面加工示意圖。
圖2A 脈衝序列皮秒雷射脈衝示意圖。
圖2B 脈衝序列皮秒雷射鑽孔深度示意圖。
圖2C 脈衝序列皮秒雷射表面加工示意圖。
圖3 相同雷射重覆率下脈衝序列根數與移除率相應圖。
圖4 材料加工中的材料密度與材料溫度相應三相圖。
圖5 脈衝間隔時間過長與切銷量下降相應圖。
圖6 脈衝間隔時間過短與產生電漿屏蔽示意圖。
圖7 雷射種子源的重複率rep s 以及脈衝寬度τ s 示意圖。
圖8 泵浦源的重複率rep p 以及脈衝寬度τ p 示意圖。
圖9 泵浦源脈衝寬度τ p 決定脈衝序列根數示意圖。
圖10 間隔時間可調脈衝序列產生裝置示意圖。
11‧‧‧種子源接收端
12‧‧‧泵浦源接收端
13‧‧‧光耦合器
14‧‧‧光結合器
15‧‧‧增益光纖
16‧‧‧光程時間調整器
17‧‧‧偏振控制環
18‧‧‧分光器
21‧‧‧第1自由空間反射鏡
22‧‧‧第2自由空間反射鏡
23‧‧‧第3自由空間反射鏡
24‧‧‧第4自由空間反射鏡
41‧‧‧第1端
31‧‧‧第2端
32‧‧‧第3端
33‧‧‧第4端
42‧‧‧第5端
34‧‧‧第6端
35‧‧‧第7端
36‧‧‧第8端
37‧‧‧第9端
43‧‧‧第10端
44‧‧‧第11端

Claims (7)

  1. 一種間隔時間可調脈衝序列產生裝置，其係為一環形光學腔體結構，包括有：一種子源接收端，其係接收一初始的脈衝序列光訊號；一光耦合器，其輸入端的第1端即為該種子源接收端，係可接收該脈衝序列光訊號，其輸入端的第2端係可讓該脈衝序列光訊號在該環形光學腔體內重複循環傳遞；一光結合器，其輸入端第4端係連接該光耦合器輸出端第3端，光結合器輸入端第5端，設置在為一泵浦源接收端上；至少一增益光纖，其係一增益介質，以放大循環於該環形光學腔體內的該脈衝序列光訊號，該至少一增益光纖位於該環形光學腔體結構上，其中該至少一增益光纖的輸入端，至少有一個接合該光結合器的輸出端第6端；一光程時間調整器，其輸入端第7端係接合該至少一增益光纖的輸出端，該光程時間調整器包括至少二自由空間反射鏡(free-space mirror)，使得循環於該環形光學腔體內的該脈衝序列光訊號依序傳輸至該至少二自由空間反射鏡，藉由調整該至少二自由空間反射鏡的反射角以及該至少二自由空間反射鏡之間的距離，以控制光在該環形光學腔體內循環一週之光程時間，用來調整環形光學腔體內該脈衝序列光訊號之間隔時 間；以及一分光器，其輸入端第9端係接合於該光程時間調整器的輸出端第8端，使每循環一次該環形光學腔體中的該脈衝序列光訊號，部分由該分光器的輸出端第10端輸出，該分光器的輸出端第11端接合該光耦合器的輸入端第2端；其中，。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之間隔時間可調脈衝序列產生裝置，其中該種子源接收端所接收之該初始脈衝序列光訊號，其訊號之脈衝間隔時間需大於光在該環形光學腔體內行走一週之時間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之間隔時間可調脈衝序列產生裝置，其中該至少二自由空間反射鏡包括：一第1自由空間反射鏡，經由該光程時間調整器輸入的第7端，傳輸循環該環形光學腔體內的該脈衝序列光訊號至該第1自由空間反射鏡；一第2自由空間反射鏡，係由該第1自由空間反射鏡，反射循環在該環形光學腔體內的該脈衝序列光訊號至該第2自由空間反射鏡；一第3自由空間反射鏡，係由該第2自由空間反射鏡，反射循環在該環形光學腔體內的該脈衝序列光訊號至該第3自由空間反射鏡；以及一第4自由空間反射鏡，係由該第3自由空間反射鏡，反射循環在該環形光學腔體內的該脈衝序列光訊號至 該第4自由空間反射鏡，並由該第4自由空間反射鏡輸出循環該環形光學腔體內的該脈衝序列光訊號至該光程時間調整器16的輸出端第8端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之間隔時間可調脈衝序列產生裝置，其中該光耦合器，其係用來接收不同波長、以及不同方向之入射光，該光耦合器，係選自分波多功器(wavelength devision multiplexer,WDM)、結合器(combiner)、以及耦合器(coupler)中之一種。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之間隔時間可調脈衝序列產生裝置，其中該光結合器，其係接收該耦合器所接收之該初始脈衝序列光訊號及該泵浦源光訊號，該光結合器，係選自一分波多功器(wavelength devision multiplexer,WDM)、以及一結合器(combiner)中之一種。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之間隔時間可調脈衝序列產生裝置，其中該分光器，係用來將一道光分出不同比例的兩道光，係選自一耦合器(coupler)、以及二分之一波板搭配偏振分光器之一種。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之間隔時間可調脈衝序列產生裝置，其中更包括一偏振控制環(polarization controller,PC)，其係經由改變偏振控制環，進而改變脈衝波包形狀。
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